南方红壤区作为全国油料作物主产区之一，对保障国家粮油安全具有重要的战略地位^[1]。花生是我国南方红壤区重要的油料经济作物，种植面积和产量均位居全国前列^[2]；据统计，2017年、2018年全国花生种植面积分别为460.77万、461.97万hm²，产量依次为1 709万、1 733万t，均居世界首位。花生是红壤旱坡地春夏季主栽作物，氮肥投入量高，种植期恰逢雨季，水土流失严重且土壤淋溶作用强烈，氮素容易随地表径流泥沙或深层渗漏进入水体，导致地表水和地下水污染等环境问题^[3]。对此，《全国农业可持续发展规划（2015—2030年）》提出“以减量施肥用药、红壤改良、水土流失治理为重点，发展生态农业、特色农业和高效农业”。在保证花生产量和品质的前提下，研究红壤旱坡花生地减量施肥技术、减少环境污染具有现实意义。

国内外学者围绕氮肥减施已经开展了大量研究^[4-6]，取得了丰硕成果，但集中在玉米、水稻、小麦等作物^[5]，对本身可以固氮的花生的相关研究还不够深入。花生与根瘤菌共生，其氮素营养特性与其他作物不同^[7]；且现有研究多集中在减量施氮对花生产量、农艺性状及氮素积累量的影响^[6，8-11]，不仅缺少对氮素随径流和渗漏等损失途径的同步研究（环境影响），还缺少对土壤残留等整个花生季氮素平衡的研究（土壤肥力），而“减肥”需要综合考虑生产目标、环境影响及土壤肥力的协调^[12]。此外，已有“减氮”试验大部分是在原来过量施氮的田块进行，由于残留肥料氮较高，有时还可能维持1~3季甚至1~3年，对指导生产意义有所局限^[12]。为明确减氮施肥对花生生产目标、环境影响及土壤肥力的综合影响，本试验在赣北第四纪红壤新开垦的小区开展，探究花生种植过程中作物产量差异、氮素径流和渗漏损失特征以及氮素表观平衡，为红壤旱坡地豆科作物的合理施肥提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验区概况

试验布设在江西省北部德安县城郊的江西水土保持生态科技园（29°10′—29°35′ N，115°23′—115°53′ E），属于亚热带湿润季风气候区，年气温16.7 ℃，年日照时数1 650~2 100 h，年无霜期249 d；年降水量1 436.8 mm（2001—2018），且集中在4—8月，占全年降水量的62.93%。该园地处我国南方红壤的中心分布区域，土壤主要为第四纪红黏土发育的红壤，呈酸性至微酸性；因濒临鄱阳湖，坡耕地分布集中，春夏季农作物主要为花生等。试验地土壤基本理化性状为：有机质含量为5.76 g·kg^–1，全氮含量为0.56 g·kg^–1，铵态氮含量为2.83 mg·kg^–1，硝态氮含量为5.34 mg·kg^–1，碱解氮含量为42.36 mg·kg^–1，全磷含量为0.19 g·kg^–1，速效磷含量为3.54 mg·kg^–1，黏粒、粉粒和砂粒含量分别为22.03%、64.61%和13.36%，质地为黏壤土（美国制）。在原荒草地上新建15个试验小区，可收集地表径流泥沙、0~60 cm壤中流和60 cm以下深层渗漏（图 1）。每个小区宽1 m、长2 m，坡度均为8°；小区之间设有宽0.5 m、长2 m的隔离带。在每个试验小区周边设置砖砌围埂，围埂高出地表30 cm、埋入地下60 cm，以防止串流；小区下部修筑集水槽承接小区径流泥沙，并通过PVC管引入加盖的径流桶。同时，每个集流槽配有彩钢盖板以防止雨水进入。

1.2 试验设计

参考当地高量施肥水平与田间管理实际，设置5种施氮水平处理：100%施氮量（N_100%，纯施氮180 kg·hm^–2）、减1/6施氮量（N_1/6，纯施氮150 kg·hm^–2）、减1/3施氮量（N_1/3，纯施氮120 kg·hm^–2）、减1/2施氮量（N_1/2，纯施氮90 kg·hm^–2）和不施氮量（N₀），每个处理重复3次，随机区组排列；磷肥和钾肥按五氧化二磷75 kg·hm^–2、氧化钾150 kg·hm^–2水平施用。所有肥料混匀后撒施在小区内再翻耕土壤，翻耕深度为20 cm。花生品种为纯杂1016，采取穴播方式，按行距15~17 cm、穴距30~33 cm、穴深4~5 cm，每个小区种植花生9行、3列共27穴，每穴定苗2株。花生于2019年5月8日播种，8月20日收获。

1.3 测定指标与方法

（1）产流产沙量。在花生整个生长期进行逐场次降雨条件下的产流、产沙观测。降雨量采用试验地旁设置的虹吸式自记雨量计进行监测；地表径流量和0~60 cm壤中流量根据径流桶中水位采用预先率定的水位-体积关系计算获取，并采用烘干法测定地表径流含沙水样计算次降雨事件侵蚀泥沙量。60 cm以下深层渗漏量根据水量平衡原理计算^[13]，计算公式为：

深层渗漏量（mm）=降雨量–地表径流量–壤中流量–蒸散发–土体水增量

式中，花生蒸散发通过试验地旁的SOILSCOPE大型自动称重式蒸渗仪测定，土体水增量采用TRIME-PICO-IPH TDR剖面土壤水分测量系统测量。本文中的渗漏量包括0~60 cm壤中流量和深层渗漏量两部分。

（2）氮素含量与氮素输出量。每次产流结束后，待径流桶中水样静置4 h后采集500 mL上清液装瓶用于测定水相全氮（TN）含量，径流桶底部泥沙全部取出称重并用塑封袋收集500 g泥沙样风干过100目筛用于测定侵蚀泥沙相TN含量，采用自流式和真空式渗漏水采集装置采集渗漏水样用于测定渗漏水TN含量。所有样品TN含量由通过计量认证的江西水土保持生态科技园分析测试中心测定。水样现场加酸稳定立即带回分析测试中心置于4 ℃冰箱保存，在72 h内分析完毕。TN径流流失量、TN渗漏淋失量等参照文献[14]，计算公式为：

$Q = \sum\nolimits_{i = 1}^n {{C_i}} \times {V_i} \times 10$

式中，Q为TN径流/渗漏损失量（kg·hm^–2）；C_i为每次径流/渗漏水TN浓度（mg·L^–1）；V_i为每次径流/渗漏水体积（m³·m^–2）。本文中的TN径流流失量包括地表径流水相和侵蚀泥沙相两部分。

（3）花生产量及农艺性状。花生收获时（8月20日）按实收统计秸秆产量、荚果产量和总干物质量，精度0.1 g。同时，在各小区按S形选择10穴、每穴2株植物全样，测量并记录各植株的主茎长、株高、冠幅、饱果数和原始分枝数等农艺性状；分别取植株的叶、茎、根、果壳、果仁在105 ℃杀青30 min，70 ℃烘至恒重，称重，记录干物质重。烘干的植株分器官样品经粉碎过0.25 mm（60目）筛，用于测定花生植株TN含量，并根据各器官干物质量计算植株氮素积累量。

（4）土壤铵氮（${\text{NH}}_{\text{4}}^{\text{ + }}{\text{ - N}}$）和硝氮（${\text{NO}}_{\text{3}}^ - {\text{ - N}}$）含量。花生收获后按0~5、5~10、10~15、15~20、20~30、30~40、40~60、60~80和80~100 cm土层深度多点采集土壤样品，并将同一采样深度的土样混匀后取部分鲜土测定${\text{NH}}_{\text{4}}^{\text{ + }}{\text{ - N}}$和${\text{NO}}_{\text{3}}^ - {\text{ - N}}$含量；同时，取环刀样测定土壤容重。土壤${\text{NH}}_{\text{4}}^{\text{ + }}{\text{ - N}}$和${\text{NO}}_{\text{3}}^ - {\text{ - N}}$含量测定方法参照文献[15]，计算公式为：

${\text{NH}}_{\text{4}}^{\text{ + }}{\text{ - N/NO}}_{\text{3}}^ - {\text{ - N}}$含量（kg·hm^–2）= ${\text{NH}}_{\text{4}}^{\text{ + }}{\text{ - N/}}$ ${\text{NO}}_{\text{3}}^ - {\text{ - N}}$浓度×容重×土层厚度×小区面积

（5）氮素表观平衡计算。花生地氮素平衡等指标的计算参照文献[16]。需要说明的是，氮素矿化量是用未施氮处理氮素矿化量进行估计，即不考虑氮肥的激化效应。由于该处理未施用氮肥就没有氮肥的其他损失，故可以差减法计算氮素矿化量，计算公式为：

氮素矿化量=总输出量–（肥料氮+播前土壤无机氮+种子输入氮+降雨输入氮）

1.4 数据分析

本文采用Excel 2016和SPSS 21.0软件进行数据处理，用Origin 8.5和Excel 2016作图。文中所列数据均为3次重复平均值，各处理的比较采用最小显著差法（LSD）。

2 结果 2.1 不同减氮水平下花生生物量与氮素积累量

作物对氮素的吸收表现为氮素积累量。从花生收获时统计的植株实收生物量及其吸氮量数据来看（表 1），荚果、秸秆产量和植株氮素积累量表现出一致的趋势。与N_100%处理相比，N_1/6和N_1/2处理在荚果产量、秸秆产量、总干物质量和植株氮素积累量方面均无显著性差异（P > 0.05），但N_1/3处理显著降低了荚果产量、总干物质量和植株氮素积累量（P < 0.05），而N₀处理显著降低了荚果产量、秸秆产量、干物质量及植株氮素积累量（P < 0.05）。

农艺性状特征可以反映不同施氮水平下的作物生长情况。从花生收获时的农艺性状指标可知（表 2），与N_100%处理相比，N_1/6、N_1/3和N_1/2处理在主茎长、株高和冠幅等农艺性状上无显著性差异（P > 0.05），但N_1/3处理显著降低了饱果数和原始分枝数（P < 0.05），而N₀处理显著降低了几乎所有的农艺性状指标（P < 0.05），严重限制了花生的生长。

2.2 不同减氮水平下氮素径流和渗漏损失特征

降雨是导致坡地农田养分随地表径流泥沙或深层渗漏损失的主要原因。试验期共发生16次降雨事件，总降雨量为518.5 mm，占全年降雨量（1 536.0 mm）的33.76%，占当地花生生育期多年（2001—2018）平均降雨量的35.90%。其中：侵蚀降雨场次12次，侵蚀性降雨量437.2 mm，占同期降雨量的84.32%。花生生长季各处理产流产沙量如表 3所示，不同施氮水平下的地表径流量和侵蚀泥沙量显著相关（P < 0.05）。与N_100%处理相比，N_1/2处理降低了地表径流量、侵蚀泥沙量、渗漏量和地表径流系数，而N_1/6、N_1/3和N₀处理提高了地表径流量、侵蚀泥沙量和地表径流系数。这是因为，N_1/6、N_1/3和N₀处理的花生植株生物量（表 1）和农艺性状（表 2）劣于N_1/2和N_100%处理，较差的植被覆盖难以很好地涵养水源、削弱降雨和减缓径流流速^[17]，从而导致较高的径流泥沙输出。

试验期12次侵蚀性降雨下各处理地表径流和渗漏TN平均浓度如图 2所示。可知，地表径流TN平均浓度为1.56~2.11 mg·L^–1。N_100%处理地表径流平均TN浓度最高，达2.11 mg·L^–1，已超过《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）Ⅴ类水标准值（2 mg·L^–1），为劣五类水，进入河湖极易引起水体富营养化。与N_100%处理相比，N_1/6、N_1/3、N_1/2和N₀处理显著降低了地表径流TN平均浓度（P < 0.05），降幅分别达14.36%、26.35%、14.01%和21.34%。这说明施肥量是影响氮素径流流失浓度的重要因素之一，合理的氮肥减施可有效削减花生地氮素的径流流失。渗漏TN平均浓度为7.26~12.56 mg·L^–1（图 3），其中N_100%处理渗漏TN平均浓度达9.76 mg·L^–1。与N_100%处理相比，N_1/3、N_1/2和N₀处理降低了渗漏TN平均浓度，而N_1/6处理提高了渗漏TN平均浓度，但N_1/6与N_100%处理之间差异不显著（P > 0.05）。不同施氮水平下渗漏TN平均浓度均在《地下水质量标准》（GB/T 14848—2017）Ⅲ类标准值以下，对地下水威胁不大。在本试验中，各处理渗漏TN平均浓度均大于地表径流TN平均浓度，可能是由于本试验采取撒施后翻耕覆土的施肥方式，而且地表径流在坡面输移过程中，经花生植株拦截、土壤和泥沙吸附等作用，其氮素浓度相应地有所降低^[17]。

各处理的TN输出通量如图 3所示，TN径流流失量在7.15~12.26 kg·hm^–2之间。N_100%处理下，花生地TN径流流失量达9.43 kg·hm^–2，N_1/6、N_1/3和N_1/2处理与之相比分别降低了8.59%、2.97%和24.18%，而N₀提高了TN径流流失量，这主要是因为N₀处理花生植株长势较差（表 1、表 2），造成较大的地表径流和侵蚀泥沙量（表 3）。TN渗漏淋失量在9.59~28.65 kg·hm^–2之间。N_100%处理下，花生地TN渗漏淋失量达25.01 kg·hm^–2，N_1/2、N₀处理与之相比分别减少了29.28%和61.66%；N_1/6、N_1/3处理TN渗漏淋失量虽高于N_100%处理，但与N_100%处理差异不显著（P > 0.05）。

2.3 不同减氮水平下土壤氮素剖面分布

花生收获后土壤${\text{NH}}_{\text{4}}^{\text{ + }}{\text{ - N}}$和${\text{NO}}_{\text{3}}^ - {\text{ - N}}$在0~100 cm剖面的分布如图 4所示。${\text{NO}}_{\text{3}}^ - {\text{ - N}}$不断向剖面下层迁移（图 4a），83.39%~93.82%的${\text{NO}}_{\text{3}}^ - {\text{ - N}}$分布在40~100 cm土层，而${\text{NH}}_{\text{4}}^{\text{ + }}{\text{ - N}}$随着土层的增加呈下降的趋势（图 4b），这是由于${\text{NH}}_{\text{4}}^{\text{ + }}{\text{ - N}}$在土壤中的移动性较小。0~100 cm土层的${\text{NH}}_{\text{4}}^{\text{ + }}{\text{ - N}}$含量以N_1/3处理最大，N_100%处理次之。与N_100%处理相比，N_1/6、N_1/2和N₀处理降低了0~100 cm土层中${\text{NH}}_{\text{4}}^{\text{ + }}{\text{ - N}}$含量，降幅达12.74%、14.35%和1.88%。0~100 cm土层的${\text{NO}}_{\text{3}}^ - {\text{ - N}}$含量以N_1/6处理最大，N_1/3处理次之。N_1/6和N_1/3处理${\text{NO}}_{\text{3}}^ - {\text{ - N}}$含量在0~100 cm土层较N_1/2处理分别增加了15.93%和1.33%。

2.4 不同减氮水平下氮素表观平衡

氮平衡研究是评价生态系统中氮素循环和氮肥去向的有力工具，也是研究土壤氮素利用与损失的常用方法之一。表 4和图 5列出了花生整个生长季的氮素平衡结果。试验地氮素收入项主要包括肥料投入、降水沉降、种子携带、土壤起始无机氮量N_min和有机物质矿化氮量5项（表 4）。其中，肥料施用是氮素收入的主要来源，占29.67%~45.76%；由降水输入和种子自身携带的氮量分别为6.09和11.56 kg·hm^–2，是该种植体系氮素输入不可忽视的组成部分；本试验中，各处理土壤起始N_min和矿化氮量分别为59.31和136.40 kg·hm^–2，两者之和（195.71 kg·hm^–2）即土壤供氮量超过施入的肥料氮量，表明供试土壤具有一定的供氮能力。同时，各施氮处理土壤残留无机氮量均大于土壤起始无机氮量，增长幅度达18.66%~31.44%，所有施氮处理均提高了土壤肥力，可以持续维持作物生长；而N₀处理的土壤残留氮小于土壤起始氮。

试验地氮素支出项主要包括作物吸收、土壤残留、径流流失、渗漏淋失和气体等其他损失5项（图 5）。在所有施氮处理的氮素输出项中，191.53~318.01 kg·hm^–2的氮被作物吸收和土壤残留；34.95~93.98 kg·hm^–2的氮以径流流失、渗漏淋失和其他损失途径流出种植体系，其中TN径流流失量介于7.15~12.26 kg·hm^–2，TN渗漏淋失量介于9.54~28.65 kg·hm^–2。在所有施氮处理中，N_1/2处理TN径流流失量和TN渗漏淋失量均最小；TN径流流失量最大的为N_1/3处理，TN渗漏淋失量最大的为N_1/6处理，这主要是因为N_1/3和N_1/6处理花生植株吸氮量少（表 1），造成大量的氮素随地表径流泥沙流失和渗漏淋失（图 3）。关于N_1/3和N_1/6处理花生植株长势和产量较差的原因在讨论部分详细展开叙述。

3 讨论 3.1 氮肥减施对花生产量与农艺性状的影响

世界范围内，氮肥施用对提高作物产量、增加经济收益起了不可替代的作用^[18]。本试验结果显示：与N_100%相比，N₀处理不仅显著降低了几乎所有的农艺性状指标（表 2），还显著降低了荚果产量、秸秆产量和干物质量（表 1），同时N₀处理降低了44.61%土壤起始氮量（表 4、图 5），说明在不施氮的情况下花生植株生长消耗了土壤氮，长期下去必然消耗地力，影响农作物产量和品质。这表明虽然根瘤菌固氮在满足花生氮素需求及提高产量方面有一定作用，但花生自身的固氮作用不能满足其高产对氮素营养的需求，所以仍需施用适量氮肥。

氮肥的大量投入在提高产量和增加经济收益的同时也给环境带来了不利的影响，特别在集约化农业生产中，过量氮肥导致的经济损失和环境问题日益严重^[19]。减量施肥作为一项有效的农田养分原位减排技术，目前正在大力推广应用于生产实践中，如玉米、水稻、小麦等种植体系。在本试验中，N_1/2处理的花生产量、植株氮素积累量和农艺性状均优于N_1/6、N_1/3处理（表 1和表 2），这与已有研究如水稻的氮素积累量随着施氮量增加而增加^[20]不完全一致。究其原因，可能是因为花生与根瘤菌共生，其氮素营养特性与水稻等非固氮作物不同有关。N_1/6、N_1/3处理产量降低可能与土壤中高${\text{NH}}_{\text{4}}^{\text{ + }}{\text{ - N}}$、${\text{NO}}_{\text{3}}^ - {\text{ - N}}$含量导致花生固氮作用降低等有关。如图 4所示，N_1/3处理的${\text{NH}}_{\text{4}}^{\text{ + }}{\text{ - N}}$含量在0~20 cm土层（花生主根区）分别较N_100%和N_1/2处理增加了49.84%和127.90%，且N_1/6处理的${\text{NO}}_{\text{3}}^ - {\text{ - N}}$含量在0~20 cm土层（花生主根区）分别较N_100%和N_1/2处理增加了70.02%和59.32%。已有研究发现土壤${\text{NO}}_{\text{3}}^ - {\text{ - N}}$与${\text{NH}}_{\text{4}}^{\text{ + }}{\text{ - N}}$均会降低根瘤鲜重，抑制根瘤固氮酶活性^[21]。硝态氮可以作为重要的信号分子调控植物对氮素的响应、吸收、代谢相关基因的表达。当土壤中存在高浓度的硝酸盐时，抑制了豆科植物与根瘤菌间的共生固氮作用，从而影响植物的生长和发育^[22]。

3.2 氮肥减施对径流与渗漏污染的影响

在本试验中，各处理渗漏TN平均浓度均在地下水Ⅲ类标准值以下，对地下水威胁不大；而各处理地表径流TN平均浓度均超地表Ⅳ类水标准值（1.5 mg·L^–1），其中N_100%处理地表径流TN平均浓度已超过地表Ⅴ类水标准值（2 mg·L^–1），进入河湖水体后存在诱发富营养化的风险。因此，在红壤旱坡花生地可以采取增加土壤入渗而降低地表径流的措施，如破除土壤表面的硬壳、喷施一定计量的化学物质（如土壤改良剂）等^[23]。氮素随径流输出通量不仅与TN浓度有关，还与产流产沙量有关。在本试验中，N_100%处理TN径流流失量为9.43 kg·hm^–2，N_1/2处理TN径流流失量最小（7.15 kg·hm^–2），N₀处理TN径流流失量最大（12.26 kg·hm^–2）。N_100%和N_1/2处理的TN径流流失量较小，主要与该两种处理花生植株生物量高（表 1）、植株长势良好（表 2），对径流携带的氮素等养分有拦截作用有关。因此，在红壤旱坡花生地还可以采取增加植被覆盖度的措施，如套种间种和营造植物篱等，达到减少地表径流产沙、从而减少氮素径流流失的效果。

3.3 氮肥减施对氮素表观平衡的影响

本试验观测结果表明：施氮越多花生种植体系输入的氮素就越多，肥料氮占总氮输入的29.67%~45.76%；矿化氮和土壤起始N_min占氮素输入的52.69%~97.14%，说明该试验地有较强的供氮能力；肥料氮、矿化氮及土壤起始N_min是红壤旱坡花生地氮素输入的主要途径（97.14%~98.45%）。在氮素输出项中，渗漏淋失的氮占总损失量的28.57%~50.04%，径流流失的氮占总损失量的9.73%~20.46%，二者之和即为水体损失的氮量（38.31%~70.51%）高于气体等其他表观损失的氮量（29.50%~60.63%），表明渗漏淋失和径流流失是红壤旱坡花生地氮素损失的主要途径，与同类地区已有研究结果^[24]一致。因此，采取有效措施减少坡地农田氮素养分随径流和渗漏的损失，提高肥料利用率势在必行。

对红壤旱坡花生地氮素不同途径流失量（y）与施氮量（x）进行曲线拟合（图 5）。花生植株的吸氮量和径流流失的氮素随着施氮量的增加呈先减小后增加的趋势，其相关方程分别为y= 0.0030x²–0.1464x+162.12（R²=0.7323）和y= 0.0003x²–0.065x+12.09（R²=0.6435）。土壤残留的氮素和渗漏淋失的氮素随着施氮量的增加呈先增加后减小的趋势，其相关方程分别为y= –0.0019x²+0.5764x+33.049（R²=0.982）和y= –0.0005x²+0.1905x+8.9076（R²=0.8265）。通过拟合曲线方程可以明确红壤旱坡花生地不同施氮量的氮素去向，回答花生氮素利用、环境影响及土壤演变指标方面的科学问题，为政策制定及应用提供数据支撑。

3.4 红壤旱坡花生地合理施氮

减氮需要综合考虑生产目标、环境影响及土壤肥力的协调。本研究结果表明，与N_100%处理相比，N_1/2处理没有显著降低花生产量和农艺性状（P > 0.05）（生产目标）；与N_100%处理相比，N_1/2处理显著降低地表径流TN平均浓度（P < 0.05），降幅达14.01%。同时，N_1/2处理TN径流流失量和TN渗漏淋失量均最小（环境影响）；N_1/2处理提高了20.45%土壤起始无机氮量（土壤肥力）。因此，推荐红壤旱坡花生地N_1/2处理（90 kg·hm^–2）。

花生可以与根瘤菌固氮，与水稻、小麦、玉米等作物氮素营养特征不同，本研究结果表明花生地减氮施肥是必要的。合理施氮除了确定合理的施氮量（Right amount）外，还包括其他三个方面，即正确的肥料氮品种（Right type）、正确的施氮时期（Right time）和正确的施氮方法（Right place）（“4R”理念）。在今后的研究中，综合考虑“4R”技术和提高花生与根瘤菌的固氮能力将是未来研究的重点内容。

4 结论

在所有减氮处理中，N_1/2处理在荚果产量、秸秆产量、总生物量、植株吸氮量、植株农艺性状均与高产施氮量（N_100%）处理无显著性差异（P > 0.05）；在所有减氮处理中，只有N_1/2处理有效降低了径流TN平均浓度、TN径流流失量、渗漏TN平均浓度和TN渗漏流失量；各施氮处理土壤残留无机氮量均大于土壤起始无机氮量，增长幅度达18.66%~31.44%，可以供下季花生生长利用，而N₀处理降低44.61%土壤起始氮量，难以维持花生的长期种植。综合生产目标、环境影响及土壤肥力来看，红壤旱坡花生地施氮量建议以90 kg·hm^–2为宜。